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第1章 MEMS和微系统概论1

1.1MEMS和微系统1

1.2典型MEMS和微系统产品6

1.3微加工的发展10

1.4微系统和微电子11

1.5微系统设计和制造的多学科性质12

1.6微系统和小型化14

1.7微系统在汽车工业中的应用20

1.8微系统在其他工业中的应用26

1.8.1在卫生保健工业中的应用26

1.8.2在航天工业中的应用27

1.8.3在工业产品中的应用28

1.8.4在消费产品中的应用28

1.8.5在电信中的应用28

1.9微系统的市场29

习题30

第2章 微系统的工作原理32

2.1引言32

2.2微传感器32

2.2.1声波传感器33

2.2.2生物医学传感器和生物传感器33

2.2.3化学传感器36

2.2.4光学传感器38

2.2.5压力传感器39

2.2.6热传感器45

2.3微驱动47

2.3.1热力驱动48

2.3.2形状记忆合金驱动48

2.3.3压电晶体驱动49

2.3.4静电力驱动50

2.4带有微型致动器的MEMS器件53

2.4.1微型夹钳53

2.4.2微型电动机55

2.4.3微型阀56

2.4.4微型泵58

2.5微加速度计58

2.6微流体器件61

习题63

第3章 微系统设计和制造的工程科学66

3.1引言66

3.2物质的原子结构66

3.3离子和离子化68

3.4物质的分子理论和分子间力69

3.5半导体掺杂71

3.6扩散工艺73

3.7等离子物理79

3.8电化学80

3.8.1电解81

3.8.2电液动力学82

3.9量子物理学85

习题86

第4章 微系统设计中的工程力学90

4.1概述90

4.2薄板的静力弯曲91

4.2.1周边固支圆板的弯曲93

4.2.2四边固支矩形板的弯曲95

4.2.3四边固支正方形板的弯曲96

4.3机械振动99

4.3.1基本公式99

4.3.2共振102

4.3.3微型加速度计104

4.3.4加速度计的设计理论105

4.3.5阻尼系数112

4.3.6谐振式微传感器119

4.4热力学123

4.4.1材料机械强度的热效应124

4.4.2蠕变124

4.4.3热应力125

4.5断裂力学135

4.5.1应力强度因子135

4.5.2断裂韧度137

4.5.3界面断裂力学139

4.6薄膜力学141

4.7有限元应力分析概述142

4.7.1原理142

4.7.2工程应用143

4.7.3FEA的输入信息144

4.7.4FEA应力分析的输出信息144

4.7.5图形输出145

4.7.6总评145

习题146

第5章 热流体工程和微系统设计151

5.1引言151

5.2宏观和介观流体力学基础回顾151

5.2.1流体的粘性152

5.2.2流线和流管154

5.2.3控制体和控制面154

5.2.4流动模式和雷诺数154

5.3连续介质流体动力学基本方程154

5.3.1连续性方程154

5.3.2动量方程156

5.3.3运动方程159

5.4圆管中的层流流动161

5.5计算流体动力学163

5.6微管道中不可压缩流体的流动165

5.6.1表面张力165

5.6.2毛细效应167

5.6.3微泵168

5.7亚微米和纳米尺度的流体流动169

5.7.1稀薄气体170

5.7.2努森数和马赫数170

5.7.3微气体流动建模171

5.8固体中的热传导概述173

5.8.1热传导的一般原理173

5.8.2热传导的傅立叶定律174

5.8.3热传导方程175

5.8.4牛顿冷却定律176

5.8.5固体-流体相互作用177

5.8.6边界条件178

5.9多层薄膜中的热传导182

5.10亚微米尺度固体中的热传导187

5.10.1薄膜的热导率189

5.10.2薄膜的热传导方程190

习题191

第6章 微型化中的尺度效应197

6.1尺度的介绍197

6.2几何结构学中的尺度197

6.3刚体动力学中的尺度200

6.3.1动力中的尺度200

6.3.2Trimmer力尺度向量200

6.4静电力中的尺度202

6.5电磁力中的尺度204

6.6电学中的尺度206

6.7流体力学中的尺度207

6.8热传递中的尺度210

6.8.1热传导中的尺度210

6.8.2热对流中的尺度211

习题213

第7章 用于MEMS和微系统的材料215

7.1引言215

7.2衬底和晶片215

7.3活性衬底材料216

7.4作为衬底材料的硅217

7.4.1用于MEMS的理想衬底217

7.4.2单晶硅和晶片217

7.4.3晶体结构220

7.4.4密勒指数222

7.4.5硅的力学性能224

7.5硅化合物226

7.5.1二氧化硅226

7.5.2碳化硅227

7.5.3氮化硅227

7.5.4多晶硅228

7.6硅压电电阻229

7.7砷化镓233

7.8石英234

7.9压电晶体235

7.10聚合物240

7.10.1作为工业材料的聚合物240

7.10.2用于MEMS和微系统的聚合物241

7.10.3导电聚合物241

7.10.4Langmuir-Blodgett（LB）膜242

7.11封装材料243

习题245

第8章 微系统加工工艺249

8.1引言249

8.2光刻249

8.2.1概述249

8.2.2光刻胶及其应用251

8.2.3光源252

8.2.4光刻胶的处理252

8.2.5光刻胶的去除和烘干253

8.3离子注入253

8.4扩散256

8.5氧化258

8.5.1热氧化258

8.5.2二氧化硅259

8.5.3热氧化的速率259

8.5.4由颜色来确定氧化层厚度263

8.6化学气相沉积263

8.6.1CVD的工作原理264

8.6.2CVD中的化学反应264

8.6.3沉积的速率265

8.6.4增强CVD271

8.7物理气相沉积——溅射273

8.8外延沉积274

8.9腐蚀276

8.9.1化学腐蚀277

8.9.2等离子刻蚀277

8.10微加工工艺小结278

习题279

第9章 微制造综述284

9.1引言284

9.2体硅微制造284

9.2.1腐蚀技术概述285

9.2.2各向同性腐蚀和各向异性腐蚀285

9.2.3湿法腐蚀286

9.2.4自停止腐蚀288

9.2.5干法腐蚀289

9.2.6干法腐蚀与湿法腐蚀的比较293

9.3表面微加工293

9.3.1概述293

9.3.2一般过程294

9.3.3表面微加工中的力学问题296

9.4LIGA工艺298

9.4.1LIGA工艺概述298

9.4.2基底和光刻胶的材料300

9.4.3电镀301

9.4.4SLIGA工艺301

9.5微制造小结302

9.5.1体硅微制造302

9.5.2表面微加工302

9.5.3LIGA工艺302

习题302

第10章 微系统设计307

10.1引言307

10.2设计根据308

10.2.1设计约束309

10.2.2材料选择310

10.2.3制造工艺选择311

10.2.4信号转换选择312

10.2.5机电系统314

10.2.6封装315

10.3工艺设计315

10.3.1光刻315

10.3.2薄膜加工316

10.3.3结构成型318

10.4力学设计318

10.4.1热力学负载318

10.4.2热力学应力分析319

10.4.3动力学分析319

10.4.4界面破坏分析324

10.5有限元方法力学设计324

10.5.1有限元方程324

10.5.2微加工工艺仿真329

10.6微压力传感器硅芯片的设计331

10.7微流体网络系统的设计335

10.7.1微管道中的流动阻力336

10.7.2毛细管电泳网络系统339

10.7.3毛细管电泳网络系统的数学模型340

10.8设计实例：毛细管电泳网络系统341

10.9计算机辅助设计346

10.9.1为什么用计算机辅助设计346

10.9.2微系统计算机辅助设计程序包是什么346

10.9.3如何选择计算机辅助设计程序包349

10.9.4计算机辅助设计实例349

习题354

第11章 微系统封装359

11.1引言359

11.2微电子机械封装概述360

11.3微系统封装362

11.3.1封装设计的一般考虑363

11.3.2微系统封装的三个等级363

11.3.3芯片级封装363

11.3.4器件级封装365

11.3.5系统级封装365

11.4微系统封装的接口问题366

11.5主要的封装技术367

11.5.1芯片准备367

11.5.2表面键合368

11.5.3引线键合372

11.5.4密封374

11.6三维封装376

11.7微系统的装配377

11.8封装材料的选择381

11.9信号转换和传递383

11.9.1微系统中的典型电信号383

11.9.2阻抗的测量383

11.9.3压力传感器中的信号转换和传递384

11.9.4容抗的测量386

11.10设计实例：压力传感器的封装387

习题391

参考文献394